淺埋房采采空區分布勘察及治理技術

林惠立，欒恒杰

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590)

淺埋房采采空區分布勘察及治理技術

林惠立1，欒恒杰2

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590)

摘要：中國榆林等地區采用房柱式開采方法后遺留了大量采空區。隨著時間推移，因煤巖體長期風化、蠕變而誘發采空區失穩，產生大面積塌陷、颶風以及礦震等嚴重災害。因此，查明房采采空區潛在危險源并進行相應治理具有重要意義。研究了淺埋房采采空區工程地質特征，認為厚表土層薄基巖型房采采空區上覆地層結構分布范圍廣、危害性大。通過采空區現狀調研和EH4大地電磁法勘察技術探明了研究區域內采空區的范圍和面積、采空區內積水區以及自然發火區等的分布情況。通過對比分析選取注漿隔離技術進行采空區治理并確定了各項技術參數，預防了采空區災害的發生。

關鍵詞：房采采空區；分布勘察；EH4大地電磁法；治理技術

中國榆林等地賦存豐富的淺埋煤炭資源，煤層賦存深度小、地質情況一般較為簡單，在進行現代化大規模開發利用之前主要采用房采等較為落后的采煤方法，留下大量房采采空區。隨著時間的推移，遺留在井下的部分煤柱自然風化、蠕變、破裂，往往導致煤柱失穩破壞，并波及相鄰煤柱，最終使整個采空區系統發生失穩災變，造成采空區大面積塌陷，對井下工作人員及開采設備設施造成威脅，甚至引發礦震災害。因此，查明可能會被觸發的房采采空區潛在危險源并進行相應治理具有重要意義。國內學者對采空區失穩模式和機理進行了大量的研究[1]。黃英華等[2]對礦柱和采空區頂板的失穩模式進行了介紹，分析了礦柱和采空區頂板的破壞力學機理；羅一忠[3]從巖石力學角度對大面積采空區圍巖的失穩機理進行了分析；李偉[4]對覆巖結構失穩引發沖擊性災害機理進行了探討；蔡美峰等[5]針對大柳塔煤礦開采過程中出現大范圍垮落動力失穩現象，通過現場調查、實驗室試驗、理論分析相結合進行了系統研究；王家臣等[6]對房柱式開采采空區及煤柱情況的研究，提出某個煤柱首先破壞后，會產生連鎖破壞效應。采空區處理問題一直是國內外采礦行業普遍存在的技術難題[7]，采空區的處理應根據實際地質條件，選擇合適的處理方法，同時在保障采空區穩定的情況下，試驗新的處理方法，以達到治理采空區的同時確保對環境的保護[8]。

以榆林某煤礦為工程背景，通過調研、現場勘察、理論分析以及方案對比等方法，對淺埋房采采空區的分布情況進行勘察，并采取相應的治理措施預防采空區災害發生，取得了良好的效果。

1淺埋房采采空區工程地質特征

我國賦存有大量埋深在150 m以內的淺部煤田，如神府、東勝、靈武、黃陵等，最典型的是神府、東勝煤田。神東礦區開采區域大部分集中于埋深100～150 m的淺部，煤層的典型賦存特點是埋深淺、基巖頂板較薄、表土覆蓋層較厚。由于此類煤層礦壓顯現規律具有明顯的特點，為了區別于其他煤層，通常將具有淺埋深、基巖薄、上覆厚松散層賦存特征的煤層稱為淺埋煤層[9]。根據榆林地區房式開采煤層覆巖特征參數，可將上覆地層分為厚表土層薄基巖、薄表土層厚基巖、厚表土層厚基巖三類[10]。

圖1　厚表土層薄基巖型示意圖

厚表土層薄基巖型上覆地層結構分布范圍廣、危害性最大。如圖1所示，從上覆地層組成來看，該類地層基巖層較薄，一般小于20 m；沖積層較厚，一般在40 m以上，基載比小。由于沖積層厚度大、對基巖層施加了較大的荷載，使得基巖層的垮落步距較小，頂板極限懸頂面積也較小。此時，一旦房采采空區內部分煤柱失穩，失去對頂板的支撐能力，失穩面積達到一定值時會造成基巖層頂板失穩，將導致其自身及其上覆表土層全部垮落，直到地表，其來壓強度大，沖擊危險性高。

2淺埋房采采空區分布勘察

2.1采空區分布概況

榆林市經幾十年的開采已經形成了分布廣泛、大小不一和難以計數的采空區。早期小窯、小煤礦星羅棋布，礦井開挖無設計、無圖紙、無記錄，大部分煤礦遺留下來的采空區范圍和狀態沒有完整、詳細的記錄和數據。有些采空區已部分塌陷，有些還沒有塌陷，有些采空區存在著大量積水，有些采空區還發生自燃，已經形成的塌陷和隨時可能塌陷的采空區也已經或必將引起該地區嚴重的地質環境問題。

為劃定合理的勘查區域，首先對選取的研究區域進行了調查，根據收集到的資料，研究區域開采單一煤層5-2煤，煤層厚度3.83～4.50 m，平均厚度為4.15 m，埋深15～130 m。目前5-2煤大部已開采完，采5 m留8 m。

2.2EH4大地電磁法勘察

在對采空區分布初步調查的基礎上，采用EH4大地電磁法對研究區采空區內情況進行勘察，并采用專用數據處理系統IMAGEM二維反演軟件進行資料處理，勘察中共布置47條測線。在資料精細處理的基礎上，對電阻率剖面進行地質解釋，并參考已往地質資料及煤礦開采情況，根據地層、采空區的電性特征，形成了各測線的反演電阻率色譜斷面圖，部分圖如圖2和圖3所示。依據不同地質異常的電阻率特征，對每一剖面進行地質解釋，圈定了5-2煤采空區范圍。

圖2顯示，5-2煤及直接頂底板巖層段電阻率65～100 Ω·m，沿煤層層位及上覆巖層形成了一定范圍的高電阻率異常帶，具有采空區電性異常特征或煤層自燃形成的火燒區的電性異常特征；120～240 m樁號段，5-2煤及直接頂底板巖層段電阻率55～65 Ω·m，沿煤層層位為相對較高的電阻率異常帶，具有采空區電性異常特征或煤層自燃形成的火燒區的電性異常特征，異常幅度明顯弱于0～120 m樁號段，綜合參考礦方提供的已知地質資料，推斷0～120 m樁號段為房式開采形成的采空區，120～240 m樁號段為煤層自燃形成的火燒區，該測線異常為可靠異常。

圖2　測線L11反演電阻率斷面圖

圖3　測線L13反演電阻率斷面圖

圖4　研究區域采空區分布圖

由圖3可見，5-2煤及直接頂底板巖層段電阻率小于30 Ω·m，沿煤層層位出現一條帶狀低電阻率異常帶，具有采空區積水的電性異常特征，推斷測線0～40 m樁號段5-2煤為采空區積水區，為可靠異常；40～340 m樁號段，5-2煤及直接頂底板巖層段電阻率大于100 Ω·m，其中160～220 m樁號段電阻率超過300 Ω·m，沿煤層層位出現一條帶狀高電阻率異常帶，具有采空區弱積水的電性異常特征，推斷測線40～340 m樁號段5-2煤已開采，存在頂板垮落現象，為可靠異常。

根據測線L1～測線L47二維反演電阻率斷面所呈現的地質電性異常特征解釋，查清了5-2煤和采空區分布范圍和積水情況：

1)在本次劃定的物探區內，查出5-2煤采空區4個，總面積903 200 m2，如圖4所示，其中1#采空區面積16 600 m2，2#采空區面積160 700 m2，3#采空區面積285 700 m2，4#采空區面積439 300 m2。

2)5-2煤采空區大部分區域為高電阻性異常特征(積水程度弱)，各測線所顯示的采空區異常具有較高的可靠度。根據各測線采空區異常分布特點，5-2煤開采規律性差，有的區段開采面積大，煤層頂板垮落范圍較大，有的區段頂板垮落范圍較小，有的區段頂板基本未垮落。

3)3#采空區內存在積水區，面積35 280 m2，火燒區分布于物探區東北部，面積204 643 m2。

3淺埋大面積房采采空區治理技術

3.1采空區治理方案的選取

目前，采空區隱患綜合治理主要有采空區地面注漿治理技術、采空區殘留煤柱充填回收技術、采空區露天剝離治理技術和未塌采空區頂板崩落治理技術等，每種方法都有其適用條件。對于不存在近距離下層煤開采的房采采空區，注漿隔離治理法費用低，技術優點突出，因此優先選用；對于存在近距離下層煤開采且地表無建(構)筑物的房采采空區，在滿足條件的前提下，可以考慮采用頂板崩落隔離法治理。對于地表不存在重要建(構)筑物的采空區治理的目標在于防止采空區大面積突然垮落形成礦震災害，不需要對采空區全空間注漿或崩落。

由于研究區域房式開采時間較長且產權更迭等原因，除主要巷道及準備巷道位置清楚外，采空區已封閉。此外，根據勘探成果，采空區內煤柱及頂板已局部垮落、存在積水、煤柱自燃等情況，殘留煤柱回收安全性差且成本過高，由此看來，該礦采空區不具備殘留煤柱回收的條件。根據礦方提供資料，研究區域5-2煤采空區平均埋深100 m，區內溝壑遍布且上部無其他可采煤層，因此不適宜進行露天剝離治理。根據上述情況，研究區域內2#～4#采空區面積較大(遠超過20 000 m2)，且部分區段頂板已垮落，而且存在積水、煤柱自燃等情況，為避免采空區突然塌陷可能會誘發地震等地質災害，經綜合考慮決定對位于研究區域2#～4#采空區進行注漿隔離治理。

3.2采空區注漿隔離治理工程

1)漿液配比

注漿隔離采用水泥風積沙漿液進行充填，漿液配比(質量比)按水∶水泥∶粉煤灰∶風積沙=1∶0.2∶0.2∶0.9，加入漿液體積3%～5%的水玻璃，注漿治理以靜注為主，當注漿壓力孔口管壓力達到1.5 MPa，泵量小于100 L/min，穩定15 min時，可結束該注漿段的注漿施工。注漿工程中可以根據各注漿孔實際情況進行適當調節。

2)治理范圍

對研究區域房采采空區進行注漿隔離治理，注漿隔離治理范圍如圖5所示。

3)鉆孔布置參數

以2萬m2為一個隔離單位進行注漿隔離，以避免產生大面積垮塌，注漿鉆孔間距為40 m，雙排孔布置，排距為20 m，鉆孔注漿有效半徑為20 m，注漿后能形成50 m寬注漿作用墻體，以注漿墻外圍線為基準圈定隔離采空區面積在2萬m2以內即可，隔離區可以按照100 m×200 m設置，也可按照140 m×140 m設置，具體布置可根據各礦采空區分布形態調整，以達到實施最低工程量獲得最佳治理效果為原則，局部鉆孔布置如圖6所示。

3.3治理效果

注漿治理工程完成后，可通過檢測孔鉆探取芯，根據取芯結石體采取率和巖芯的破壞程度，可判斷漿液對采空區充填和膠結后的充填效果；對取芯結石體進行室內抗壓強度試驗，可檢測其強度是否滿足設計要求；采用鉆孔電視可觀測鉆孔內結石體情況。

在查清煤礦采空區分布范圍、采空區上方地表建(構)筑物分布情況以及采空區內水、火、煤柱、頂板等情況的基礎上，綜合考慮對研究區域房采采空區的力學及數值計算以及安全評價的結果，采取相應的注漿隔離治理技術，預防和控制采空區災害發生，取得了良好的效果。

圖5　采空區綜合治理范圍及鉆孔布置圖

圖6　采空區注漿隔離法局部鉆孔示意圖

4結論

1)研究了淺埋房采采空區工程地質特征，將榆林地區房采采空區上覆地層結構分為厚表土層薄基巖型、薄表土層厚基巖型、厚表土層厚基巖型三種類型，認為厚表土層薄基巖型房采采空區上覆地層結構分布范圍廣、危害性大。

2)采用EH4大地電磁法，探明在劃定的物探區內具有5-2煤采空區4個，總面積達903 200 m2。采空區內有積水區、發火區以及頂板垮落區等的分布。

3)在上述研究成果的基礎上，通過方案比較確定了對2#～4#采空區進行注漿隔離的治理方案。采取注漿隔離治理預防了采空區災害發生，取得了良好效果。

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(責任編輯：呂海亮)

Distribution Investigation and Governance Technology for Shallow Buried Room Mining Goaf

LIN Huili1,LUAN Hengjie2

(1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:A large number of goafs were created after room and pillar mining in regions like Yulin in China.As time went by,the longtime weathering and creep deformation of coal-rock mass would induce goaf instability,causing serious disasters such as large area collapse,hurricanes and mine earthquakes.Therefore,it was of great significance to find out potential hazards of room mining goafs and take corresponding governance.This paper studied the engineering geological characteristics of room mining goafs,holding that there was a wide distribution of overlying strata in the thick overburden and thin bedrock type room mining goafs and the potential hazards were great.By investigating the present situation of goafs and by using the EH4 magnetotelluric method investigation technology,the goaf scope and area in the research area and the distribution of water-logged zones and spontaneous combustion ignition regions in the goaf were found out.Through contrastive analysis,the grouting isolation technology was chosen for the goaf governance and all technical parameters were determined.Thus,the occurrence of goaf disasters was effectively prevented.

Key words:room mining goaf;distribution investigation;EH4 magnetotelluric method;governance technology

收稿日期：2015-09-18

作者簡介：林惠立(1983—)，男，山東濱州人，博士，助理研究員，主要從事礦山壓力與控制、采空區治理等方面的研究. E-mail：linhuili3887734@163.com 欒恒杰(1989—)，男，山東煙臺人，博士研究生，主要從事采礦工程、巖土工程等方面的研究，本文通信作者. E-mail：luanjie0330@126.com

中圖分類號：TD82

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)01-0048-06